用赤泥捕集二氧化碳

林建飞，李忆冬，韩敏芳，伊元荣，高立晟，戴运泽

（1. 中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083；2. 新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

中国经济的持续发展以及能源消费的快速增长导致了CO2排放量的急剧增加，而CO2的大量排放将导致温室效应［1-2］。近年来，全球气候变暖的趋势进一步加剧，已逐渐成为国际社会高度关注的热点之一［3-4］。目前，针对CO2减排问题国际上主要有3种解决方案：一是提高利用效率和转换率；二是采用替代燃料，大力发展可再生能源和新能源；三是CO2的回收和封存［5］。

赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，主要成分为SiO2，CaO，Fe2O3，Al2O3，Na2O，TiO2，K2O等［6-7］。赤泥中碱性物质的含量较高，赤泥pH=10.3～11.8，加水后的赤泥浆液pH=12.1～13.0［8］。由于赤泥结合的化学碱含量高且较难脱除，又含有氟、铝及其他多种杂质，对于赤泥的无害化利用一直难以进行［9］。目前，赤泥的利用率仅为15%左右［10］。赤泥的堆放不仅占用大量土地、耗费堆场建设和维护费用，而且存在于赤泥中的碱向地下渗透，造成地下水体和土壤污染［11］。随着赤泥产出量的日益增加和人们对环境保护意识的不断提高，最大限度地限制赤泥污染、多渠道地利用赤泥，已迫在眉睫［12］。

本工作通过采用拜耳法赤泥捕集CO2，既解决了赤泥碱性污染的问题，又对CO2进行了捕集，减缓了温室效应，达到双重废弃物综合利用的目的。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

赤泥：中国铝业山东分公司采用拜耳法生产氧化铝时产生的固体废弃物，主要含石英、赤铁矿、钠硅渣、磁铁矿、一水软铝石、铝针铁矿。赤泥浆液pH=12.0，主要化学成分见表1。

表1 赤泥主要化学成分 w，%

ICP-AES型电感耦合等离子体原子发射光谱仪：美国SPECTRO Analytical Instruments公司。PHS-3B型精密数显pH计：上海金鹏分析仪器有限公司；DDS-11C型数显电导率仪：上海硕光电子科技有限公司。

1.2 实验方法

先将赤泥放入90 ℃烘箱中烘干，然后磨细，用0.3 mm方孔筛筛分后备用。

将赤泥与水按一定液固比（水体积（mL）与赤泥质量（g）之比）制成浆液，加入常压三相反应池中，用电磁加热搅拌器控制反应温度和搅拌转速。将CO2气体通入反应池，每10 min测定一次反应浆液电导率。当反应浆液质量和电导率不发生变化时，即为反应结束。反应前后赤泥浆液的质量差为捕集的CO2总质量，每克赤泥捕集的CO2质量为单位CO2捕集量（g/g）。

相关文献表明，CO2在碱性条件下可以与溶液中的钠盐等碱性物质发生酸碱中和、电离反应等［3］。由于赤泥浆液pH=12.0，采用该方法可使赤泥浆液中的碱性物质与CO2发生中和反应，既可实现赤泥对CO2的捕集，又能实现赤泥自身脱碱的目的。

1.3 分析方法

利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪测定赤泥脱碱前后固相中的钠含量，计算钠去除率。由于赤泥中的碱性成分主要为钠的化合物，如Na2O，NaOH，Na2CO3等，所以以钠去除率表征赤泥的脱碱率。

2 结果与讨论

2.1 液固比对单位CO2捕集量的影响

在反应温度为25℃、搅拌转速为300 r/min、CO2流量为200 mL/min的条件下，液固比对单位CO2捕集量的影响见图1。由图1可见：在同一反应时间下，单位CO2捕集量随着液固比的升高先增加后下降；当液固比为7∶1时，反应50 min后单位CO2捕集量可达最大值，为0.025 0 g/g；随液固比的增加，赤泥捕集CO2达到饱和所需的时间逐渐缩短；当液固比为9∶1时，完成捕集的时间最短，为40 min。这是由于CO2与赤泥浆液的反应受到化学反应和扩散传质的综合影响。当液固比较小时，浆液黏度大，反应物的传质阻力大，同时由于浆液中固相物质浓度大，占据了液相反应主体的空间，阻碍了气相反应物进入反应体系，在一定程度上减小了气液接触的比表面积，影响了气液传质过程，不利于反应的进行，CO2捕集量较少；随着液固比的增大，浆液黏度及固相物质浓度减小，反应物传质速率加快，促进了化学反应的进行，CO2捕集量增加；当液固比增大到某一程度时，由于反应体系中碱性物质浓度太小，不利于反应的进行，故CO2捕集量减少。

图1 液固比对单位CO2捕集量的影响

2.2 反应温度对单位CO2捕集量的影响

在液固比为7∶1、搅拌转速为300 r/min、CO2流量为200 mL/min的条件下，反应温度对单位CO2捕集量的影响见图2。由图2可见：随反应温度的升高，赤泥的单位CO2捕集量逐渐减小；当反应温度为30 ℃时，单位CO2捕集量达到最大，为0.026 0 g/g；随反应温度的升高，赤泥捕集CO2达到饱和所需的时间逐渐缩短；反应温度为90 ℃时，捕集CO2达到饱和所需时间仅为20 min。原因可能是：随着温度升高，CO2在赤泥浆液中的溶解度减小，尽管化学反应速率随着温度的上升而加快，但是CO2溶解度下降的速率更快。因此温度越高，反应浆液中CO2浓度越低，赤泥对CO2捕集量下降。

图2 反应温度对单位CO2捕集量的影响

2.3 搅拌转速对单位CO2捕集量的影响

在液固比为7∶1、反应温度为30 ℃、CO2流量为200 mL/min的条件下，搅拌转速对单位CO2捕集量的影响见图3。由图3可见：赤泥捕集CO2达到饱和时的单位CO2捕集量随搅拌转速的增加先增大后减小；反应80 min后，搅拌转速为500 r/min时的单位CO2捕集量达到最大值，为0.026 3 g/g。这是由于：搅拌速率增大会使CO2和赤泥颗粒在溶液中的分布更加均匀，从而提高气液相接触面积，促进了反应的进行；但搅拌转速过大则会导致气固相反应物受离心力影响而混合不均匀，造成CO2在反应体系中的停留时间缩短，导致赤泥对CO2捕集量下降。

图3 搅拌转速对单位CO2捕集量的影响

2.4 CO2流量对单位CO2捕集量的影响

在液固比为7∶1、反应温度为30 ℃、搅拌转速为500 r/min的条件下，CO2流量对单位CO2捕集量的影响见图4。由图4可见：赤泥对CO2的单位捕集量随CO2流量的升高而先增大后减小；当CO2流量为200 mL/min时，单位CO2捕集量达0.026 3 g/g。这是由于：CO2流量较小时，溶于反应浆液中的CO2浓度过低，反应速率慢，不利于CO2的捕集；随CO2流量的增加，溶于反应浆液中的CO2浓度上升，反应加快，从而增加了CO2的捕集；当CO2流量增加达到一定值时，由于气体流速过快，CO2还未来得及溶于浆液就以大气泡的形式穿过了反应体系，因此不利于CO2的捕集。

图4 CO2流量对单位CO2捕集量的影响

2.5 赤泥的脱碱效果

实验结果表明：不同反应条件对赤泥脱碱率的影响规律与对单位CO2捕集量的影响规律基本相同；在液固比为7∶1、反应温度为30 ℃、搅拌转速为500 r/min、CO2流量为200 mL/min的条件下，用赤泥捕集CO2，赤泥的脱碱率最高达42.43%。CO2对赤泥进行脱碱的能力较为有限，因此仍需寻找更加适合的工艺条件或加入辅助药剂才可达到对赤泥进一步脱碱的目的。

3 结论

a）采用拜耳法生产氧化铝产生的赤泥作为CO2捕集剂。在液固比为7∶1、反应温度为30 ℃、搅拌转速为500 r/min、CO2流量为200 mL/min的最佳实验条件下，最大单位CO2捕集量为0.026 3 g/g。

b）不同反应条件对赤泥脱碱率的影响规律与对单位CO2捕集量的影响规律基本相同。在最佳实验条件下，赤泥的脱碱率最高达42.43%。

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